一种新型阳离子复合表面施胶剂的研制及应用

刘士亮 李广胜

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州，510640)



·新型表面施胶剂·

一种新型阳离子复合表面施胶剂的研制及应用

刘士亮 李广胜

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州，510640)

研制了一种新型阳离子复合(AKD-石蜡)表面施胶剂，考察了该施胶剂对瓦楞原纸的施胶效果。结果表明，自制新型阳离子复合表面施胶剂制备工艺简单；相同施胶量下与阳离子SAE施胶剂相比,新型阳离子复合表面施胶剂施胶纸的纵向环压指数、耐破指数和耐折度分别提高14%、8%和25%；当施胶量为2 kg/t纸时，与阳离子SAE施胶剂相比，表面施胶成本降低4元/t纸。

新型阳离子复合表面施胶剂；纸张强度；防潮性能

众所周知,为了满足纸张的使用性能,有必要对纸张进行施胶处理[1-2]。与国外造纸行业相比,我国的造纸施胶技术发展缓慢,很多造纸企业仍然采用国外几十年前所采用的施胶技术和方法,随着近年来造纸行业快速融入国际化和市场竞争的加剧,国内外的科研部门研发了一些表面施胶技术及表面施胶剂,如SAE(阳离子苯乙烯丙烯酸酯)、AKD(烷基烯酮二聚体)等各类型表面施胶剂[3-12],但这些表面施胶还存在以下问题。

(1)表面施胶主要是酸性施胶,纸张容易返黄和发脆,对后续处理带来不少困难。

(2)表面施胶的下机检测指标合格，但存放一段时间后容易返潮。

(3)AKD类表面施胶剂熟化时间较长,易返潮造成强度指标衰减等,成本相对于苯丙类施胶剂没有明显优势。

针对这些问题,笔者对国内近年来发展迅速的AKD中性施胶技术进行了进一步的优化和改良,研究合成一种新型阳离子复合表面施胶剂,以达到简化表面施胶剂制备工艺、缩短熟化时间、提高纸张强度等目的。

1 新型阳离子复合表面施胶剂的制备及检测方法

1.1 实验原料

HM-633A阳离子淀粉,工业级,东莞市汇美淀粉科技有限公司；NX-10羧甲基纤维素(CMC),工业级,江阴市恒达化工有限公司；烷基烯酮二聚体(AKD),工业级,苏州天马精细化学品股份有限公司；昆仑牌58#石蜡,工业级；一级松香,工业级；HG01阳离子乳化剂；表面活性剂,江苏四新界面剂科技有限公司；稳定剂；阳离子SAE表面施胶剂,东莞某造纸材料厂。

1.2 实验仪器

DF-101S集热式恒温水浴锅,巩义市予华仪器有限公司；JJ200电子天平,常熟市双杰测试仪器厂；pH计；NDJ-8S数显黏度计,上海平轩科学仪器有限公司；101-1电热恒温干燥箱,广州市康恒仪器有限公司；Mastersizer2000激光粒度分析仪,ZEN3600电位仪。

1.3 新型阳离子复合表面施胶剂的制备方法

笔者在传统AKD中性施胶乳液制备设备的基础上[12],对其进行了优化和改良,发明了专用的生产反应器，见图1。

图1 新型阳离子复合表面施胶剂生产反应器

具体操作步骤如下：

(1)将50份去离子水+1份阳离子淀粉+1份CMC搅拌至溶解。

(2)加热升温至95℃左右糊化通透,此时为灰色。

(3)加1份一级松香待完全溶解后(微黄色),缓慢加入4份阳离子乳化剂,匀速搅拌,90℃保温反应30～60 min(周边会有少量气泡)。

(4)加4份AKD,此时加大转速,控制膨胀气泡,完全溶解后(溶解时间很短),马上加2份石蜡、0.5份表面活性剂,石蜡溶解(溶解时间很短)后,停止加热,80～90℃保温10 min,降温到60～70℃左右加入稳定剂,匀速搅拌。

(5)用冻水迅速冷却,常温25℃左右出料,得到自制新型阳离子复合表面施胶剂(以下简称复合表面施胶剂)。

(6)表观检测。将复合表面施胶剂用清水试验,滴一点复合表面施胶剂在清水表面,其应呈现分散快、水面成一层均一薄膜，分丝状；下沉很慢,雾状悬浮在水中；胶体呈微黄乳白色。

1.4 复合表面施胶剂特征检测方法

(1)固含量：将复合表面施胶剂在105℃的烘箱中烘干2 h后取出,在干燥器中冷却至室温,称取固含量进行计算。

(2)pH值：采用pH计进行检测。

(3)黏度：在室温下使用1#转子,在60 r/min的条件下检测。

(4)平均粒径：采用激光颗粒度分析仪进行检测。

(5)Zate 电位：采用电位仪检测。

1.5 复合表面施胶剂特征指标检测结果

复合表面施胶剂特征指标检测结果如表1所示。

表1 复合表面施胶剂性能指标

形态固含量/%pH值黏度/mPa·s平均粒径/μm稳定性乳白色液体157-930-10050.1761个月

2 复合表面施胶剂的应用

将复合表面施胶剂对瓦楞原纸进行表面施胶应用实验，考察其对纸张性能的影响，并与阳离子SAE施胶剂的施胶效果进行对比。

本实验表面施胶方法为：将表面施胶液置于75℃恒温水浴锅内保温,施胶速度为5×6 mm/s,对瓦楞原纸的正面进行表面施胶,施胶后放至鼓风干燥箱干燥,干燥箱温度为80℃；纸张干燥后，在重物下平压12 h,平衡水分后,称量质量,计算施胶量。反面的施胶操作同正面,平衡水分后,测试纸张性能。

2.1 成膜对比

通过扫描电镜对未施胶瓦楞原纸、复合表面施胶剂和阳离子SAE表面施胶后的瓦楞原纸进行观察,对比电镜照片,比较成膜性能,实验结果如图1～图3所示。

图1 未表面施胶瓦楞原纸(×600)

图2 复合表面施胶剂施胶后瓦楞原纸(×600)

图3 阳离子SAE施胶后瓦楞原纸(×600)

由图1～图3可知，与未表面施胶的纸张表面相比,无论是阳离子SAE施胶剂还是复合表面施胶剂,施胶后的成膜性都比较好,构成纸张的纤维间隙被表面施胶剂良好的填充,纤维间结合的更加紧密,从而赋予纸张良好的表观性能。

2.2 复合表面施胶剂施胶对纸张性能的影响

表2为复合表面施胶剂对纸张PPS粗糙度及防水性能的影响。由表2可知,与未施胶瓦楞原纸相比,复合表面施胶剂施胶后瓦楞原纸的抗水性明显提高,纸张紧度及PPS粗糙度没有明显的变化。与阳离子SAE施胶的瓦楞原纸相比，复合表面施胶剂施胶纸的Cobb值降低,说明施胶纸的防水性能有所改善。

表3为复合表面施胶剂对纸张强度性能的影响。由表3可知，与未表面施胶瓦楞原纸相比，复合表面施胶剂对纸张强度的提高非常显著，如纵向环压指数由2.1 N·m/g提高到4.0 N·m/g,耐折度由11次提高到15次,挺度由37.2 mN·m提高到48.2 mN·m,从这个角度来看,它不仅是一种较好的表面施胶剂,也是一种性能优良的纸张增强剂；另外，在相同施胶量下，与阳离子SAE表面施胶结果相比，复合表面施胶剂具有更好的纸张增强效果,纵向环压指数、耐破指数和耐折度分别提高14%、8%和25%。

2.3 复合表面施胶剂施胶后纸张防潮性能的检测

评价一种表面施胶剂的效果优劣,其防潮性能也是重点考虑的一个要素,特别是对南方地区的包装用纸,只有具备较好的防潮功能,才更适合实际生产和下游用户的需要。复合表面施胶剂表面施胶后纸张的防潮性能检测结果见表4。

由表4纸张吸潮后结果可以看出,经复合表面施胶剂施胶后纸张回潮率为32.6%。

2.4 经济效益分析

当施胶剂用量大约为2 kg/t纸时,使用复合表面施胶剂(固含量15%)按6000元/t计算,则施胶成本12元/t纸。而现在市场上常用的阳离子SAE表面施胶剂(固含量30%),市场价一般为8000元/t,则施胶成本16元/t,因此,使用复合表面施胶剂可降低生产成本4元/t,这对于生产量大的纸厂来说,经济效益非常可观。

表2 复合表面施胶剂对纸张粗糙度及防水性能的影响

瓦楞原纸定量/g·m-2厚度/μm紧度/g·cm-3PPS粗糙度/μmCobb60值/g·m-2未表面施胶87.0158.60.558.5476.54复合表面施胶剂施胶94.1159.30.599.2320.85阳离子SAE施胶94.2160.00.589.2726.53

表3 复合表面施胶剂对纸张强度性能的影响

瓦楞原纸定量/g·m-2纵向环压指数/N·m·g-1耐破指数/kPa·m2·g-1耐折度/次纵向抗张指数/N·m·g-1撕裂指数/mN·m2·g-1挺度/mN·m未表面施胶87.02.11.181135.176.0337.2复合表面施胶剂施胶94.14.01.431539.006.0948.2阳离子SAE施胶94.23.51.371239.206.0848.5

表4 复合表面施胶剂施胶后纸张防潮性能检测结果

平衡前平衡后吸潮后实测定量/g·m-2横向环压指数/N·m·g-1均值横向环压指数/N·m·g-1均值横向环压指数/N·m·g-1均值回潮率/%1318.31328.51339.01319.01328.31289.01338.81359.48.88.89.79.49.29.29.48.89.29.26.36.56.46.16.36.05.66.66.232.61

注 此方法为生产企业的检测方法,实验用纸为130 g/m2瓦楞原纸。检测环境：温度22℃,湿度50%；平衡条件：纸样在温度23℃、湿度50%的恒温恒湿箱中放置4 h；吸潮条件：纸样在温度25℃、湿度90%恒温恒湿箱中放置2 h。

3 结 论

3.1 与市场常用的表面施胶剂相比，自制的新型阳离子复合表面施胶剂制备工艺简单、高效。

3.2 与阳离子SAE表面施胶剂相比,新型阳离子复合表面施胶剂施胶纸张的纵向环压指数、耐破指数、耐折度分别提高14%、8%和25%。

3.3 新型阳离子复合表面施胶剂纸张回潮率为32.6%。

3.4 当施胶剂用量约为2 kg/t纸时，与阳离子SAE表面施胶剂相比,新型阳离子复合表面施胶剂施胶生产成本降低4元/t纸。

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(责任编辑：常 青)

Preparation and Application of the New Cationic Composite Surface Sizing Agent

LIU Shi-liang*LI Guang-sheng

(StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince,510640)(*E-mail:liushiliang1974@126.com)

A new type of cationic composite surface sizing agent which was developed on the basis of traditional AKD neutral size was introduced.Comparing with common cationic SAE sizing agent,the preparation of new composite cationic surface sizing agent was simple,on the paper MD ring crush index,burst index and folding strength increased by 14%,8% and 25%.When sizing amount was 2 kg/t paper,surface sizing cost reduced 4 yuan/ton.

cationic composite surface sizing; paper strength; moisture-proof

刘士亮先生，博士；主要研究方向：造纸高新技术、新型高效磨浆技术及设备、填料改性技术的研发。

2014-09-01(修改稿)

TS727+.2

A

0254-508X(2015)02-0025-04